Heeft waterstof als brandstof de toekomst?
Waterstof is de brandstof van de toekomst, hoor je vaak. Bij verbranding komt er immers slechts water vrij – geen broeikasgassen. Maar is waterstof daadwerkelijk de heilige graal van de energietransitie?
Steeds vaker wordt waterstof aangemerkt als brandstof van de toekomst. Maar is dat wel zo? Welke uitdagingen en toepassingen er voor waterstof zijn leggen we je uit.
- Waterstof toegepast in de ruimtevaart
- Uitdagingen van waterstof
- Waterstof, groene energie en kernenergie
- Wil je meer weten over uitdagingen in de energieproductie lees dan: Wanneer verwachten we de eerste kernfusiecentrales?
De lancering van een Delta 4 Heavy-raket is een spectaculair gezicht. Meteen na de start van de drie motoren vliegt de raket namelijk in brand. Maar elke keer weer verheft de Heavy zich dan toch van het lanceerplatform, zwartgeblakerd maar intact. De reden van de vlammen: vlak voor de lancering worden de drie motoren voorgekoeld door er een dot waterstof doorheen te jagen. Zodra de motoren ontbranden, vliegt de waterstofwolk rondom de raket in brand, met als gevolg dat het isolatiemateriaal van de raket geroosterd wordt – Met als bonus trouwens een gitzwarte rookwolk die mooi contrasteert met de witte wolk van waterdamp.
Waterstof is een brandstof van extremen. Het is het meest overvloedige spul in het heelal, maar het komt op aarde niet in pure vorm voor. Het kookpunt ligt op 253 graden onder nul. De dichtheid is zeer laag: een liter vloeibare waterstof weegt 70 gram (een kilo van dit spul vereist dus een tank van 14,3 liter). Maar de calorische waarde is dan weer hoog: één kilo waterstof bevat circa drie keer zoveel energie als een kilo benzine. Dat verklaart meteen waarom het veel gebruikt wordt in de ruimtevaart, waar elke kilo telt.
De Delta IV raket met waterstof.
De reden waarom het spul populair is bij pleitbezorgers van een energietransitie, is dat het schoon verbrandt tot water. Dat kan in een traditionele verbrandingsmotor, maar ook in een zogenoemde brandstofcel. Daarin worden waterstof en zuurstof uit de lucht over een katalysator gevoerd, waarbij de twee stoffen binden en er stroom gaat lopen. Daarmee kan dan een elektromotor worden aangedreven. Waterstofauto’s zijn al te koop, en worden met name in Japan enorm gepromoot.
Grootschalige toepassing van waterstof zou twee enorme voordelen bieden. Het spul is ten eerste zeer bruikbaar in de industrie. Bij de productie van staal is het een uitstekend, niet vervuilend alternatief voor steenkool. Ten tweede kun je waterstof opslaan. Dat wordt zeer relevant zodra we het merendeel van onze stroom zullen opwekken met zon en wind. Op momenten dat deze duurzame energiebronnen tekort schieten, kan opgeslagen waterstof aan – voor waterstof geschikt gemaakte – gascentrales worden geleverd. Daarmee zou het grootste probleem van een fosielloze energievoorziening zijn opgelost.
Piekmomenten
Maar uiteraard zit er een keerzijde aan dit verhaal. Waterstof wordt ingedeeld in grijze, blauwe en groene waterstof. Het verschil zit ‘m in de wijze van productie. Grijze waterstof wordt gemaakt van aardgas, met als restproduct CO₂. Daar schiet het klimaat natuurlijk niets mee op. Blauwe waterstof wordt ook gemaakt van aardgas, maar het grootste deel van de CO₂ wordt afgevangen en opgeslagen. De gangbare methode om groene waterstof te maken is elektrolyse. Watermoleculen worden bij kamertemperatuur gesplitst in waterstof- en zuurstofatomen. Daar is elektriciteit voor nodig die emissievrij moet worden opgewekt. Deze techniek is relatief simpel. Het probleem is dat het weinig efficiënt is: het kost meer elektriciteit om groene waterstof te maken dan er later in een brandstofcel mee kan worden teruggewonnen. De opslag is problematisch vanwege het kookpunt van -253 °C. In een auto wordt het daarom gasvormig opgeslagen onder een druk van circa 700 bar. Al dit afkoelen en samenpersen vereist ook weer energie. Waterstof is kortom veel minder handelbaar dan fossiele brandstoffen, of in de woorden van Elon Musk: ‘A big pain in the arse’. Wanneer je weer eens een mooi verhaal over de zegeningen van waterstof hoort, is het goed om deze feiten in gedachten te houden.
Eigenlijk is waterstof alleen een goed idee wanneer we over een structureel overschot aan groene stroom beschikken. Naarmate de hoeveelheid duurzame bronnen toeneemt, nadert het moment dat we vooral ‘s nachts, als het verbruik laag is, meer elektriciteit produceren dan nodig is. Elektriciteitsprijzen zijn zeer volatiel. Op piekmomenten kan de prijs zomaar verdubbelen. Waterstof kan dus het best worden geproduceerd op goedkope momenten, om vloeibaar opgeslagen te worden in goed geïsoleerde en gekoelde opslagtanks. Bij een tekort aan wind en zon, wanneer elektriciteit duur is, kan het worden gebruikt om stroom op te wekken. Grote prijsverschillen kunnen de geringe efficiëntie van elektrolyse goeddeels compenseren.
Dit alles vraagt wel een kanttekening. Het grootste deel van de energie die we gebruiken, bestaat niet uit stroom. De meeste auto’s rijden op fossiele brandstof en de meeste huizen worden verwarmd door fossiele brandstof. Ook de industrie slokt er enorme hoeveelheden van op. Ondanks dat er overal windmolens oprijzen, tonen cijfers van het CBS op ontnuchterende wijze aan dat Nederland nog altijd grotendeels draait op geïmporteerde fossiele energie. Er circuleren tal van berekeningen die aantonen dat het vrijwel onmogelijk is deze energiehonger te stillen met groene stroom en waterstof. Tata Steel zegt wel over te willen stappen op waterstof, en wellicht menen ze dat ook, maar alleen al dit bedrijf zou het grootste deel van de productie opslokken. Zelfs als we het hele Nederlandse deel van de Noordzee zouden vullen met windmolens, gaat dit niet werken.
"Eigenlijk is waterstof alleen een goed idee wanneer we over een structureel overschot aan groene stroom beschikken."
Mooie praatjes
Het zou wellicht wel kunnen als we een flink deel van onze stroom op zouden wekken met nieuw te bouwen kerncentrales. De aanloopkosten daarvan zijn weliswaar erg hoog, en de bouw duurt makkelijk een jaar of vijftien, maar met overheidssubsidie is het mogelijk. Wanneer ze eenmaal gereed zijn, leveren kerncentrales goedkope stroom, op elk moment van de dag. Wanneer we inderdaad helemaal geen CO₂ meer willen uitstoten, lijkt een combinatie van kernenergie, duurzame bronnen en een waterstofeconomie de enig mogelijke weg. Op bewolkte, windstille dagen vullen waterstofcentrales de kerncentrales aan. Op onstuimige, stormachtige dagen worden de waterstoftanks en -reservoirs gevuld (waterstof kan net als aardgas ondergronds worden opgeslagen). Alle auto’s worden elektrisch, terwijl waterstof geschikt is gebleken als brandstof in onder meer vrachtwagens, bussen en vorkheftrucks. Ondanks mooi praatjes van vliegtuigbouwers is waterstof vooralsnog niet geschikt voor passagiersvliegtuigen. Maar Shell heeft al wel synthetische kerosine geproduceerd uit waterstof en CO₂ via het beproefde Fischer-Tropsch-proces.
Overigens wordt de Delta 4 binnenkort uit de vaart genomen wegens te duur. De vervanger gaat op aardgas vliegen.
